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阻力说明书
单相流动阻力测定实验装置
说明书
目录
一、实验设备的功能与特点
二、设备主要技术数据
三、实验设备应注意的事项
四、实验方法及步骤
五、使用实验设备应注意的事项
六、附录
⒈实验数据的计算过程
⒉计算举例
⒊实验数据表
⒋摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系图
一、实验设备的功能与特点
本实验装置可用于实验教学和科研。
利用该实验装置,可学习和掌握光滑直管、粗糙直管的阻力系数与雷诺准数的测量方法;也可学习局部阻力的测量方法;学习几种压差测量方法;加深对流体流动阻力概念的理解。
本实验装置的特点:
⑴本实验装置数据稳定,重现性好,能给实验者明确的流体流动阻力概念。
⑵雷诺准数的数据范围宽,可作出102~104三个数量级。
能够测量出光滑管、粗糙管的阻力系数与雷诺准数的关系,同时也可以测量阀门局部阻力。
⑶实验采用循环水系统,节约实验费用。
⑷测量系统采用量程不同的两种流量计和压差测量仪表,测量精度较高。
⑸采用压力传感器—数字表系统,测量大流量下的流体流动阻力,实验数据稳定可靠。
二、设备的主要技术数据:
⒈被测光滑直管段:
管径d—0.008m;管长L—1.698m;材料—不锈钢管
被测粗糙直管段:
管径d—0.010m;管长L—1.698m;材料—不锈钢管
⒉被测局部阻力直管段:
管径d—0.015m;管长L—1.2m;材料—不锈钢管
⒊压力传感器:
型号:
LXWY测量范围:
200KPa
⒋直流数字电压表:
型号:
PZ139测量范围:
0~200KPa
⒌离心泵:
型号:
WB70/055流量:
8(m3/h)扬程:
12(m)电机功率:
550(W)
⒍玻璃转子流量计:
型号测量范围精度
LZB—40100~1000(L/h)1.5
LZB—1010~100(L/h)2.5
三、实验设备的基本情况
实验流程示意图见图1。
水泵2将储水槽1中的水抽出,送入实验系统,首先经玻璃转子流量计15、16测量流量,然后送入被测直管段测量流体在光滑管或粗糙管的流动阻力,或经10测量局部阻力后回到储水槽,水循环使用。
被测直管段流体流动阻力△p可根据其数值大小分别采用变送器12或空气-水倒置∪型管22来测量。
图1流动阻力实验流程示意图
1-水箱;2-离心泵;3、4-放水阀;5、13-缓冲罐;6-局部阻力近端测压阀;7、15-局部阻力远端测压阀;8、20-粗糙管测压回水阀;9、19-光滑管测压阀;10-局部阻力管阀;11-U型管进水阀;12-压力传感器;14-流量调节阀;15、16-水转子流量计;17-光滑管阀;18-粗糙管阀;
21-倒置U型管放空阀;22-倒置U型管;23-水箱放水阀;24-放水阀;
四、实验方法及步骤:
⒈向储水槽内注水,直到水满为止。
(有条件最好用蒸馏水,以保持流体清洁)
⒉直流数字表的使用方法请详细阅读使用说明书。
⒊大流量状态下的压差测量系统,应先接电预热10~15分钟,调好数字表的零点,然后启动泵进行实验。
⒋光滑管阻力测定:
⑴关闭粗糙管阀18、粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8,将光滑管阀17全开。
⑵在流量为零条件下,打开光滑管测压进水阀19和回水阀9,旋开倒置U型管进水阀11,检查导压管内是否有气泡存在。
若倒置U型管内液柱高度差不为零,则表明导压管内存在气泡,需要进行赶气泡操作。
导压系统如图2所示。
操作方法如下:
开大流量,使倒置U型管内液体充分流动,以赶出管路内的气泡;若认为气泡已赶净,将流量阀关闭;慢慢旋开倒置U型管上部的放空阀21,打开阀3、4,使液柱降至零点上下时马上关闭,管内形成气-水柱,此时管内液柱高度差应为零。
然后关闭放空阀21。
图2导压系统示意图
13-粗糙管测压进水阀;14-直管压力传感器;15-粗糙管测压回水阀;16-光滑管测压回水阀;17-光滑管测压进水阀;18-U型管进水阀;19-排水阀;20-U型管出水阀;26-U型管放空阀
⑶该装置两个转子流量计并联连接,根据流量大小选择不同量程的流量计测量流量。
⑷差压变送器与倒置U型管也是并联连接,用于测量直管段的压差,小流量时用倒置∪型管压差计测量,大流量时用差压变送器测量。
应在最大流量和最小流量之间进行实验,一般测取15~20组数据。
建议当流量小于300L/h时,只用倒置∪型管来测量压差。
⒌粗糙管阻力测定:
关闭阀17、光滑管测压进水阀19、光滑管测压回水阀9,全开阀18,旋开粗糙管测压进水阀20、粗糙管测压回水阀8,逐渐调大流量调节阀,赶出导压管内气泡。
⑵从小流量到最大流量,一般测取15~20组数据。
⑶直管段的压差用差压变送器测量。
光滑管和粗糙管直管阻力的测定使用同一差压变送器,当测量光滑管直管阻力时,要把通向粗糙管直管阻力的阀门关闭;同样当测量粗糙管直管阻力时,要把通向光滑管直管阻力的阀门关闭。
⒋局部阻力测定
关闭阀门17和18,全开或半开阀门10,改变流量,用差压变送器测量远点、近点压差。
远点、近点压差的测量使用同一差压变送器。
当测量远点压差时,要把通向近点压差的阀门关闭;同样当近点压差时,要把通向远点压差的阀门关闭。
⒌测取水箱水温。
⒍待数据测量完毕,关闭流量调节阀,停泵。
五、使用实验设备应注意的事项
⒈直流数字表操作方法请仔细阅读说明书后,方可使用。
⒉启动离心泵之前,以及从光滑管阻力测量过渡到其它测量之前,都必须检查所有流量调节阀是否关闭。
⒊利用压力传感器测量大流量下△P时,应切断空气—水倒置∪型玻璃管的阀门18、20否则影响测量数值。
⒋在实验过程中每调节一个流量之后应待流量和直管压降的数据稳定以后方可记录数据。
⒌较长时间未做实验,启动离心泵之前应先盘轴转动,否则易烧坏电机。
六、附录
⒈实验数据的计算及结果
⑴直管摩擦系数与雷诺数Re的测定
直管的摩擦阻力系数是雷诺数和相对粗糙度的函数,即
,对一定的相对粗糙度而言,
。
流体在一定长度等直径的水平圆管内流动时,其管路阻力引起的能量损失为:
(1)
又因为摩擦阻力系数与阻力损失之间有如下关系(范宁公式)
(2)
整理
(1)
(2)两式得
(3)
(4)
式中:
管径,m;
直管阻力引起的压强降,Pa;
管长,m;
流速,m/s;
流体的密度,kg/m3;
流体的粘度,N·s/m2。
在实验装置中,直管段管长l和管径d都已固定。
若水温一定,则水的密度ρ和粘度μ也是定值。
所以本实验实质上是测定直管段流体阻力引起的压强降△Pf与流速u(流量V)之间的关系。
根据实验数据和式(3)可计算出不同流速下的直管摩擦系数λ,用式(4)计算对应的Re,从而整理出直管摩擦系数和雷诺数的关系,绘出λ与Re的关系曲线。
⑵局部阻力系数
的测定
(5)
(6)
式中:
局部阻力系数,无因次;
局部阻力引起的压强降,Pa;
局部阻力引起的能量损失,J/kg。
图3局部阻力测量取压口布置图
局部阻力引起的压强降
可用下面的方法测量:
在一条各处直径相等的直管段上,安装待测局部阻力的阀门,在其上、下游开两对测压口a-a’和b-b',见图3,使
ab=bc;a'b'=b'c'
则△Pf,ab=△Pf,bc;△Pf,a'b'=△Pf,b'c'
在a~a'之间列柏努利方程式:
Pa-Pa'=2△Pf,ab+2△Pf,a'b'+△P'f(7)
在b~b'之间列柏努利方程式:
Pb-Pb'=△Pf,bc+△Pf,b'c'+△P'f
=△Pf,ab+△Pf,a'b'+△P'f(8)
联立式(7)和(8),则:
=2(Pb-Pb')-(Pa-Pa')
为了实验方便,称(Pb-Pb')为近点压差,称(Pa-Pa')为远点压差。
用差压传感器来测量。
⒉计算举例(以第1套设备为例)
实验水温
=27.4℃,粘度
=0.85×10-3(Pa.s),密度
=995.89(kg/m3)
⑴光滑管、小流量数据:
Q=50(L/h)△P=36(mmH2O)
管内流速
(m/s)
阻力降
=353(Pa)
雷诺数
2591
阻力系数
0.044
⑵粗糙管、大流量数据:
Q=300(L/h)△P=18.7(kPa)
管内流速
1.06(m/s)
阻力降
18.7×1000=18700(Pa)
雷诺数
12438
阻力系数
=0.197
⑶局部阻力数据:
Q=600(L/h)
=54.2(kPa),
=55.0(kPa)
直管内流速
=0.944(m/s)
=53.4(kPa)=53400(Pa)
局部阻力系数
=119.9
⒊实验数据表
表1光滑管数据表(第1套设备)
装置编号:
1光滑管内径:
8mm;管长:
1.690m;
液体温度:
℃;液体密度:
kg/m3;液体粘度:
Pa.S
序号
流量
(L/h)
直管压差ΔP
ΔP
流速u
Re
λ
(kPa)
(mmH2O)
(Pa)
(m/s)
1
1000
73.18
7471.69
73180
5.53
44666.09
0.023
2
900
61.20
6248.53
61200
4.97
400199.48
0.023
3
800
5.00
5105.01
50000
4.42
35732.87
0.024
4
700
40.25
4109.53
40250
3.87
31266.26
0.025
5
600
32.10
3277.42
32100
3.32
26799.65
0.028
6
500
23.75
2424.88
23750
2.76
22333.04
0.029
7
400
17.91
1828.61
17910
2.21
17866.43
0.035
8
300
12.43
1269.10
12430
1.66
13399.83
0.043
9
260
10.80
1102.68
10800
1.44
11613.18
0.050
10
220
9.21
940.34
9210
1.22
9826.54
0.059
11
180
3.28
335
3281.09
0.99
8039.90
0.031
12
140
1.984
198
1939.27
0.77
6253.25
0.031
13
100
1.43
146
1429.97
0.55
4466.61
0.044
14
90
1.02
104
1018.61
0.50
4019.95
0.039
15
80
0.89
91
891.28
0.44
3573.29
0.043
16
70
0.66
67
656.22
0.39
3126.63
0.042
17
60
0.35
36
352.59
0.33
2679.97
0.030
18
50
0.28
29
284.03
0.28
2233.30
0.035
19
40
0.22
22
215.47
0.22
1786.64
0.042
20
30
0.14
14
137.12
0.17
1339.98
0.047
21
20
0.08
8
78.35
0.11
893.32
0.061
22
10
0.02
2
19.59
0.06
446.66
0.061
表2粗糙管数据表(第1套)
装置编号:
1粗糙管内径:
10mm;管长:
1.690m;
液体温度:
℃;液体密度:
kg/m;液体粘度:
mPa.S
序号
流量
(L/h)
直管压差ΔP
ΔP
流速u
Re
λ
(kPa)
(mmH2O)
(Pa)
(m/s)
1
1000
48.420
4943.690
48420
3.54
35732.87
0.046
2
900
40.260
4161.602
40260
3.18
32159.58
0.048
3
800
33.650
3435.670
33650
2.83
28586.29
0.050
4
700
27.300
2787.334
27300
2.48
25013.01
0.053
5
600
21.720
2217.615
21720
2.12
21439.72
0.057
6
500
16.950
1730.598
16950
1.77
17866.43
0.064
7
400
13.060
1333.428
13060
1.42
14293.15
0.077
8
300
9.970
1017.939
9970
1.06
10719.86
0.105
9
260
8.910
909.712
8910
0.92
9290.55
0.125
10
220
7.810
797.402
7810
0.78
7861.23
0.153
11
180
6.930
707.554
6930
0.64
6431.92
0.202
12
140
6.110
623.832
6110
0.50
5002.60
0.295
13
100
3.213
832.000
3210
0.35
3573.29
0.304
14
90
2.644
270.000
2650
0.32
3215.96
0.309
15
80
2.331
238.000
2330
0.28
2888.63
0.345
16
70
1.900
194.000
1900
0.25
2501.30
0.367
17
60
1.548
158.000
1550
0.21
2143.97
0.407
18
50
1.028
105.000
1030
0.18
1786.64
0.389
19
40
0.705
72.000
710
0.14
1429.31
0.417
20
30
0.421
43.000
420
0.11
1071.99
0.443
21
20
0.225
23.000
230
0.07
714.66
0.533
22
10
0.078
8.000
78
0.04
357.33
0.742
表3局部阻力实验数据(第1套设备)
序号
流量
Q/(L/h)
近点压差
/kPa
远点压差
/kPa
局部阻力压差
/Pa
流速
/(m/s)
阻力系数
1
400
4700
4810
45900
0.629
232.34
2
600
4760
5000
45200
0.944
101.69
3
800
4830
5180
44800
1.258
56.69
表4光滑管数据表(第2套设备)
装置编号:
2光滑管内径:
8mm;管长:
1.690m;
液体温度:
℃;液体密度:
kg/m3;液体粘度:
Pa.S
序号
流量
(L/h)
直管压差ΔP
ΔP
流速u
Re
λ
(kPa)
(mmH2O)
(Pa)
(m/s)
1
1000
2
900
3
800
4
700
5
600
6
500
7
400
8
300
9
260
10
220
11
180
12
140
13
100
14
90
15
80
16
70
17
60
18
50
19
40
20
30
21
20
22
10
表5粗糙管数据表(第2套)
装置编号:
2粗糙管内径:
10mm;管长:
1.690m;
液体温度:
℃;液体密度:
kg/m;液体粘度:
mPa.S
序号
流量
(L/h)
直管压差ΔP
ΔP
流速u
Re
λ
(kPa)
(mmH2O)
(Pa)
(m/s)
1
1000
2
900
3
800
4
700
5
600
6
500
7
400
8
300
9
260
10
220
11
180
12
140
13
100
14
90
15
80
16
70
17
60
18
50
19
40
20
30
21
20
22
10
表6局部阻力实验数据(第2套设备)
序号
流量
Q/(L/h)
近点压差
/kPa
远点压差
/kPa
局部阻力压差
/Pa
流速
/(m/s)
阻力系数
1
400
2
600
3
800
⒋摩擦阻力系数与雷诺数之间的关系图
第1套设备λ-Re关系
第2套设备λ-Re关系
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